一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼制造技术

技术编号:15069811 阅读:111 留言:0更新日期:2017-04-06 17:10
本发明专利技术涉及一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼,下肢外骨骼助力机器人主要由机械结构和液压系统组成,液压驱动系统包括液压基站模块、关节驱动模块、能量回收模块。本发明专利技术在膝关节和髋关节设计上,采用连杆结构,解决人行走过程中膝关节和髋关节与外骨骼关节转动中心不匹配的问题,提高人体穿戴舒适性。本发明专利技术所匹配的液压能量回收模块,可提高能量利用效率,平缓行走冲击,提升助力效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及服务机器人
,具体说是一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼
技术介绍
人体肌力较为薄弱,在山区、丛林等常规运输工具难以达到的无路地区往往无法胜任长时间负重行走、搬运、攀爬等野外作业。下肢外骨骼助力机器人是一种可快速匹配在人体下肢外侧面,可主动或被动跟随人体运动,为腿部提供合适助力的智能化装置。可穿戴下肢外骨骼助力机器人颠覆传统人机关系,充分发挥人机交互感知特性,引入人的智能决策能力,拓宽人体关节力量,完成人机任务协同。下肢外骨骼助力机器人有着广泛的应用前景和用途。随着人体老年化,人体肌力和机能会逐渐老化或退化,下肢外骨骼助力机器人可为老人行走助力,帮助下肢行走功能丧失的残障人士步行,可提高下肢功能障碍人士行走能力。下肢外骨骼助力机器人可解放大量艰苦劳动,弥补常规交通和作业工具的不足,助人在崎岖地形行走或进行远距离重物搬运。针对士兵、消防员、救生员等特殊职业者,下肢外骨骼助力机器人可用于携带武器装备、灭火装置、救生用品等其它机械设备,提高特殊条件下的机动能力,获取局部机动优势。综上,可穿戴型下肢外骨骼助力机器人可拓展应用于医疗(如下肢康复训练)、军事(如协助单兵携带装备远距离崎岖山路行走)、灾害救助(如地震现场救助)等领域。针对下肢外骨骼机器人,主要技术指标有三个:一、结构轻便与紧凑性;二、穿戴者舒适性;三、控制的灵活性。在现有技术条件下,下肢外骨骼机器人有其局限性。国内外涉及下肢外骨骼机器人的专利主要有以下几项:分别是申请号为201310257360.5的“一种穿戴型下肢助力机器人、其折叠方法及用于装运的手拉箱”、申请号为201210370541.4的“便携式可穿戴下肢康复及助行外骨骼机器人”、申请号为200680006514.1的“下部肢体外骨骼”。所述各专利所采用的电机驱动方式,不利于对外骨骼机器人实施智能控制,影响了人机交互的协调性,降低了用户使用该机器人的安全性。不能满足人们对于助力机器人的使用要求。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题,提出一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼,该外骨骼采用电液伺服驱动,将大腿与髋关节处的液压缸设计一体化,使结构更加简洁。不仅满足下肢外骨骼机器人大力矩、高响应速度和结构紧凑的需求,同时解决了人体关节中心与机械结构不匹配的问题。腰带及腿部绑带设计提高人体穿戴舒适性。液压系统的能量回收模块实现能量回收及能量快速释放,减小系统能耗。本专利技术所要解决的技术问题具体采用以下技术方案来实现:一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼,所述机器人主要由机械结构和液压系统组成。所述机械机构包括鞋底、踝关节、小腿、膝关节、大腿、髋关节、腰带、载物支架和控制系统。所述鞋底和小腿通过踝关节连接,小腿和大腿通过膝关节连接,大腿和腰带通过髋关节连接,载物支架固定在腰带上,液压系统和控制系统固定于载物支架上。所述液压系统包括液压基站模块、关节驱动模块、能量回收模块。所述关节驱动模块由四条液压驱动支路并联组成,所述液压驱动支路分别对应为左髋关节液压驱动支路、右髋关节液压驱动支路,左膝关节液压驱动支路、右膝关节液压驱动支路,四个液压驱动支路结构相同。所述左髋关节液压驱动支路包括一号电磁伺服比例阀、一号左压力传感器、一号右压力传感器、左髋关节液压缸及一号液压缸位移传感器。所述左膝关节液压驱动支路包括二号电磁伺服比例阀、二号左压力传感器、二号右压力传感器、左膝关节液压缸及二号液压缸位移传感器。所述右膝关节液压驱动支路包括三号电磁伺服比例阀、三号左压力传感器、三号右压力传感器、右膝关节液压缸及三号液压缸位移传感器。所述右髋关节液压驱动支路包括四号电磁伺服比例阀、四号左压力传感器、四号右压力传感器、右髋关节液压缸及四号液压缸位移传感器。所述踝关节为被动驱动模块,由脚底法兰和脚底连接器组成。所述小腿由一号小腿结构和二号小腿结构组成,小腿长度可调。所述膝关节由两个连杆组成,所述的两个连杆与小腿、对应的左膝关节液压缸或右膝关节液压缸、大腿构成五连杆机构,使膝关节的运动中心可移动,解决人体关节中心不固定的问题。所述髋关节由三个连杆组成,髋关节与对应的左髋关节液压缸或右髋关节液压缸构成四连杆机构,使髋关节运动中心可移动,所述各髋关节处的液压缸均嵌入大腿,构成大腿一部分,使设计一体化,结构更加紧凑。。所述液压基站模块包括油箱、伺服电机、补油泵、动力元件变量泵、调压回路、出油过滤器、回油过滤器、温度计以及液位计,所述伺服电机驱动动力元件变量泵将油箱中油液经出油过滤器输出到油路,所述调压回路将压力油液输出给关节驱动模块,调压回路并联于液压回路中,调整油液压力,保证所需压力油液输出给关节驱动模块。所述能量回收模块包括一号蓄能器、与一号蓄能器连接的一号压力表、与一号蓄能器连接的一号液控换向阀、与一号蓄能器连接的一号电磁换向阀、二号蓄能器、与二号蓄能器连接的二号压力表、与二号蓄能器连接的二号液控换向阀、与二号蓄能器连接的二号电磁换向阀,所述一号电磁换向阀和二号电磁换向阀接入关节驱动模块中的各关节液压缸回路中。所述一号电磁换向阀和二号电磁换向阀根据控制器输出信号使蓄能器能量回收或使蓄能器对外释放能量。本专利技术的有益效果是:1.人体行走时下肢驱动力的主要来源为髋关节和膝关节的驱动力;人体下肢结构较为复杂,髋关节由位于复杂盆骨结构内的关节转子提供转动,膝关节由髌骨等组成的转动关节,关节中心不固定,是部分线性位移与转动的复合运动,并且人体是柔性关节,个体差异明显,现有的下肢外骨骼驱动与机械结构往往设计为固定关节转动,外骨骼驱动关节容易产生不利于人体下肢运动的交互力,由此带来穿戴的不适应和不舒适。本专利技术针对人体个性的差异,有效匹配人体髋关节、膝关节中心与机械结构不一致的矛盾。2.人体在行走时,触地瞬间冲击力峰值能达到体重的四倍有余。本专利技术匹配的电液伺服驱动系统,可有效提高驱动的响应速度,降低行走冲击。同时,在行走时满足快速响应、大力矩的需求。3.本专利技术所配置的能量回收模块,可有效匹配液压驱动能量在人体下肢行走步态周期中的分配比,提高系统能量利用效率。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1为本专利技术的整体结构示意图;图2为本专利技术的踝关节、膝关节的结构示意图;图3为本专利技术的髋关节的结构示意图;图4为本专利技术的液压系统的连接关系图;图5为本专利技术在双腿站立阶段的结构状态示本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼,所述机器人主要由机械结构和液压系统组成,其特征在于:所述机械机构包括鞋底(1)、踝关节(2)、小腿(3)、膝关节(4)、大腿(6)、髋关节(7)、腰带(9)、载物支架(10)和控制系统;所述鞋底(1)和小腿(3)通过踝关节(2)连接,小腿(3)和大腿(6)通过膝关节(4)连接,大腿(6)和腰带(9)通过髋关节(7)连接,载物支架(10)固定在腰带(9)上,液压系统和控制系统固定于载物支架(10)上;所述液压系统包括液压基站模块(101)、关节驱动模块(301)、能量回收模块(201)。

【技术特征摘要】
1.一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼,所述机器人主要由机械结构和液
压系统组成,其特征在于:
所述机械机构包括鞋底(1)、踝关节(2)、小腿(3)、膝关节(4)、
大腿(6)、髋关节(7)、腰带(9)、载物支架(10)和控制系统;
所述鞋底(1)和小腿(3)通过踝关节(2)连接,小腿(3)和大腿(6)
通过膝关节(4)连接,大腿(6)和腰带(9)通过髋关节(7)连接,载物支
架(10)固定在腰带(9)上,液压系统和控制系统固定于载物支架(10)上;
所述液压系统包括液压基站模块(101)、关节驱动模块(301)、能量回
收模块(201)。
2.根据权利要求1所述的一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼,其特征在
于:所述关节驱动模块(301)由四条液压驱动支路并联组成,所述液压驱动支
路分别对应为左髋关节液压驱动支路、右髋关节液压驱动支路,左膝关节液压
驱动支路、右膝关节液压驱动支路,四个液压驱动支路结构相同;所述左髋关
节液压驱动支路包括一号电磁伺服比例阀(3011)、一号左压力传感器(3021)、
一号右压力传感器(3022)、左髋关节液压缸(3031)及一号液压缸位移传感
器(3041);所述左膝关节液压驱动支路包括二号电磁伺服比例阀(3012)、
二号左压力传感器(3023)、二号右压力传感器(3024)、左膝关节液压缸(3032)
及二号液压缸位移传感器(3042);所述右膝关节液压驱动支路包括三号电磁
伺服比例阀(3013)、三号左压力传感器(3025)、三号右压力传感器(3026)、
右膝关节液压缸(3033)及三号液压缸位移传感器(3043);所述右髋关节液
压驱动支路包括四号电磁伺服比例阀(3014)、四号左压力传感器(3027)、
四号右压力传感器(3028)、右髋关节液压缸(3034)及四号液压缸位移传感
器(3044)。
3.根据权利要求1所述的一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼,其特征在
于:所述踝关节(2)为被动驱动模块,由脚底法兰(11)和脚底连接器(12)
组成。
4.根据权利要求1所述的一种连杆关节一体化液压驱...

【专利技术属性】
技术研发人员:汪步云许德章汪志红刘国强杨伟超王毓胡飞
申请(专利权)人:芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司安徽工程大学
类型:发明
国别省市:安徽;34

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